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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Gerät zum mechanischen Zerlegen von Gestein
mit einem Zylinder, in dem ein hydraulisch betätigbarer Kolben mit einer Kolbenstange
längsbeweglich angeordnet ist, und mit einem durch die Kolbenstange verschiebbaren
Gleitkeil, der auf in Bohrlöcher einsetzbare, seitlich beschränkt verschiebbare
und mittels verstärkter Kopfstücke lösbar mit dem Zylinderblock oder mit einem an
diesem lösbar angeordneten Zylinder-Unterteil verbundenen Druckbacken mit einer
der Neigung des Gleitkeils entsprechenden Schrägung einwirkt, wobei die Druckbacken
im Zylinderblock oder Zylinder-Unterteil auf diametral angeordneten Querbolzen eingehängt
und mit Federelementen elastisch fixiert und zentriert sind.
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Derartige Geräte sind allgemein bekannt (DE-AS 1 254 562; DE-PS 1
783 155). Mit derart ausgebildeten, relativ handlichen Geräten können Kräfte in
der Größenordnung von 300 to und mehr erzeugt werden. Die Verwendung von Sprengstoffen
ist zum Herauslösen von Gesteinsbrocken oder Zerlegen derselben nicht mehr erforderlich.
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Die Arbeitskolben und damit die Gleitkeile der bekannten Geräte der
hier fraglichen Art werden mit konstantem Hydraulikdruck beaufschlagt. Abhängig
vom Gestein muß der dabei aufgewendete Druck sehr hoch sein mit der Folge einer
entsprechend starken Dimensionierung der gesamten Hydraulik.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Gerät der
eingangs genannten Art hinsichtlich der Hydrau-
lik bzw. des Antriebs
für den Arbeitskolben so zu verbessern, daß bei geringeren Drücken dieselbe oder
sogar eine höhere Spreng- bzw. Spaltleistung erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Verstellung
des Arbeitskolbens und damit des Gleitkeils dem Arbeitszylinder ein hydraulisches
Steuergerät vorschaltbar ist, mittels dem das zum Vorschub des Arbeitskolbens dienende
Druckmittel vibrierend in den Arbeitszylinder auf der dem Gleitkeil abgewandten
Seite des Arbeitskolbens einführbar ist. Das Steuergerät umfaßt vorzugsweise einen
in einem Steuergehäuse drehbar gelagerten Drehkolben, der mit einem äußeren Drehantrieb
koppelbar ist.
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Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausführungsform weist das Steuergehäuse
einen Druckmitteleinlaß sowie einen Druckmittelauslaß auf, wobei der Druckmitteleinlaß
in mindestens zwei bzw. drei Einlaßkanäle unterteilt ist, diese Einlaßkanäle jeweils
mit einer auf dem Umfang des Drehkolbens angeordneten Ringnut kommunizieren und
die Ringnuten jeweils mindestens eine seitliche Aussparung aufweisen, über die eine
Fluidverbindung mit zum Druckmittelauslaß führenden Auslaßkanälen herstellbar ist.
Die Anzahl der Auslaßkanäle entspricht zwangsläufig der Anzahl der Einlaßkanäle,
es sei denn, daß z.B. zwei Ringnuten miteinander fluid verbunden sind.
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Die Drehzahl des Drehkolbens und die Anzahl der Ringnuten sowie seitliche
Aussparungen sind so gewählt, daß das in den Arbeitszylinder eingeführte Druckmittel
mit einer Frequenz von mindestens etwa 1.000 Hz pulsiert. Entsprechend pulsierend
wird der Arbeitskolben und damit Gleitkeil vorangetrieben bzw. die in ein Bohrloch
eingesetzten Druckbacken auseinandergespreizt.
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Versuche haben gezeigt, daß auf diese Weise äußerst exakte Bruchflächen
bei geringerem Ausgangsdruck erzielt werden,
wobei auch die Bruchzeiten
sich dadurch erheblich reduzieren lassen. Besonders hohe Spaltleistungen erhält
man dann, wenn die Druckmittelpulsation im Resonanzbereich des zu spaltenden Gesteins
liegt. Die Druckmittel-Frequenz kann dabei sehr einfach durch Änderung der Drehzahl
des Antriebes des Drehkolbens variiert werden.
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Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Gerätes anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen: Figur 1 eine
Ausführungsform eines Steinspaltgerätes, das mit der erfindungsgemäßen Hydraulik
koppelbar ist, Figur 2 ein dem Arbeitszylinder des Steinspaltgerätes nach Figur
1 vorschaltbares hydraulisches Steuergerät im Längsschnitt, Figur 3 das Steuergerät
nach Figur 2 im Querschnitt, und Figur 4 einen hydraulischen Schaltplan für den
hydraulischen Antrieb des Steinspaltgerätes nach Figur 1.
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Das in Figur 1 dargestellte hydraulische Gerät zum mechanischen Zerlegen
von Gestein umfaßt einen Zylinder 1 aus Aluminium, in dem ein hydraulisch betätigbarer,
nicht dargestellter Kolben mit einer Kolbenstange 3 längsbeweglich angeordnet ist,
wobei die Kolbenstange 3 in einem in den Zylinder l eingeschraubten Zylinder-Unterteil
2 längsverschieblich geführt ist. Zum Zwecke der Führung der Kolbenstange 3 im Zylinder-Unterteil
2, der ebenfalls vorzugsweise aus Aluminium besteht, ist am freien unteren Ende
der Kolbenstange 3 eine Führungshülse 5 aus verschleißfestem Lagerwerkstoff angeordnet.
Die Arretierung der Lagerhülse 5 am freien unteren Ende der Kolbenstange 3 erfolgt
mittels eines Haltestiftes 31 und einer Schraubenfeder 6.
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Am freien unteren Ende der Kolbenstange 3 ist ein Gleitkeil 18 mittels
eines sowohl ihn als auch die Kolbenstange 3 durchgreifenden Haltebolzens 4 befestigt.
Der Gleitkeil
18 wird auf in Bohrlöcher einsetzbare, seitlich beschränkt
verschiebbare und mittels verstärkter Kopfstücke 32 lösbar mit dem Zylinder-Unterteil
2 verbundenen Druckbacken 17 ein, die einer der Neigung des Gleitkeils entsprechende
Schrägung aufweisen. Die Druckbacken 17 sind auf diametral im Zylinder-Unterteil
2 angeordneten Querbolzen 10 eingehängt und mit nur andeutungsweise dargestellten
Federelementen 13, 24 elastisch fixiert und zentriert. Die seitlich beschränkte
Verschiebbarkeit der Druckbacken wird dadurch erreicht, daß sie auf dem Querbolzen
10 verschiebbar gelagert sind, und zwar auf dem jeweils innenliegenden Abschnitten
20 der Querbolzen 10, die bei der Ausführungsform nach Figur 1 einen etwas geringeren
Durchmesser aufweisen als die äußeren Abschnitte 21, die als Gewinde-und Lagerteil
dienen. Die Querbolzen 10 sind in Bolzenlängsrichtung versetzbar angeordnet zwischen
einer äußeren Druck backen-Freigabestellung (in Figur 1 unten) und einer inneren
Druckbacken-Einhängstellung (Figur 1 oben) derart, daß in ersterer dieruckbacken
17 nach unten - in Figur 1 nach rechts - aus dem Zylinder-Unterteil 2 ohne Drehung
um ihre Längsachsen oder seitliches Verschwenken herausziehbar sind und umgekehrt.
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Wie die Figur 1 sehr deutlich erkennen läßt, sind die beiden Querbolzen
10 im Zytinder-Unterteil 2 nach Art einer Schraube zwischen Druckbacken-Freigabestellung
und Druckbacken-Einhängestellung bewegbar, wobei am Umfang der jeweils äußeren Querbolzenabschnitte
21 größeren Druchmessers eine etwa wendelförmig verlaufende Nut 23 eingefräst ist,
in die ein Führungsstift 11 eingreift, wobei die Drehbewe -gung der Querbolzen!10
durch die stirnseitigen Enden der Nut 23 begrenzt ist. Die Arretierung der Querbolzen
10 in der Druckbacken-Freigabestellung oder Druckbacken-Einhängestellung erfolgt
jeweils durch eine Kugelraste 7, 8, 9, deren feder belastete Druckkugel 9 in entsprechende
Ausnehmungen am Umfang der Querbolzen 10 eingreift. Die Vorspannung der die Rastkugel
9 belastenden Feder 8 kann
durch einen auf das der Kugel 9 entgegengesetzte
Ende der Feder 8 einwirkenden Gewindestift 7 variiert werden. Der sich radial in
die Umfangsnut 23 hinein erstreckende Führungsstift 11 ist auswechselbar im Zylinder-Unterteil
2 bzw. in der Lagerhülse 19 für die Querbolzen 10 angeordnet. Die Lagerhülse 19
für die Querbolzen 10 ist bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einstückig
ausgebildet und besteht aus einem hoch verschleißfesten Lagerwerkstoff, z.B. korrosionsbeständigem
Stahl oder einem Sinterwerkstoff. Die Lagerhülse 19 ist im Zylinder-Unterteil 2
eingeschrumpft.
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Vorzugsweise besitzen die Umfangsnuten 23 der beiden Querbolzen 10
jeweils eine Steigung in gleicher Richtung. Die Betätigung bzw. Drehbewegung der
Querbolzen 10 erfolgt mittels eines Schraubenziehers, der in eine entsprechende
Ausnehmung 56 an den äußeren Stirnseiten der beiden Querbolzen einsetzbar ist.
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Wie oben dargelegt, ist die Steigung der beiden Umfangsnuten 23 vorzugsweise
entgegengesetzt gerichtet, so daß die äußeren Stirnseiten der beiden Querbolzen
10 mittels eines Bügels 22 miteinander gekoppelt und damit beide Querbolzen durch
Schwenkbewegung des Bügels 22 um die gemeinsame Querbolzenmittelachse gleichzeitig
in die innere Druckbacken-Einhängestellung oder äußere Druckbacken-Freigabestellung
bewegt werden können. Die beiden Schenkel des Bügels 22 sind biegeelastisch ausgebildet,
so daß sie der Translationsbewegung der beiden Querbolzen 10 ungehindert folgen
können.
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Zur Verstellung des nicht dargestellten Arbeitskolbens und damit des
Gleitkeils 18 wird dem Arbeitszylinder vorzugsweise ein hydraulisches Steuergerät
35 vorgeschaltet, dessen Funktion nachstehend anhand der Figuren 2 bis 4 näher dargelegt
werden soll. Durch das hydraulische Steuergerät 35 soll erreicht werden, daß das
zum Vorschub des
Arbeitskolbens dienende Druckmittel vibrierend
in den Arbeitszylinder auf der dem Gleitkeil 18 abgewandten Seite des Arbeitskolbens
eingeleitet bzw. eingeführt wird. Gemäß den Figuren 2 und 3 umfaßt das Steuergerät
35 einen in einem Steuergehäuse 37 drehbar gelagerten Drehkolben 36, der an einen
nicht dargestellten äußeren Drehantrieb anschließbar ist, wobei der Anschluß in
Figur 2 mit der Bezugsziffer 61 gekennzeichnet ist.
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Das Steuergehäuse 37 weist einen Druckmitteleinlaß 38 auf,
dasin
drei Einlaßkanäle 40, 41 und 42 unterteilt ist.
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Diese drei Einlaßkanäle kommunizieren jeweils mit einer Ringnut 43,
44,'45 längs des Umfanges des Drehkolbens 36. Die Ringnuten 43, 44, 45 weisen jeweils
seitliche Aussparungen 46, 47 bzw. 48, 49 bzw. 50, 51, 52 auf, durch die eine pulsierende
Fluidverbindung zwischen den Ringnuten 43, 44, 45 mit zum Druckmittelauslaß 39 führenden
Auslaßkanälen 53, 54, 55 herstellbar ist. Jeder Ringnut 43, 44, 45 sind, wie Fig.
10 erkennen läßt, vier gleichmäßig über dem Umfang verteilt angeordnete Aussparungen
zugeordnet, wobei die Aussparungen der einzelnen Ringnuten so zueinander versetzt
angeordnet sind, daß der Winkelabstand zwischen sämtlichen Aussparungen gleich ist.
Auf diese Weise wird bei der Ausführungsform nach den Fig. 2 und 10 der Druckmittel
strom bei einer Umdrehung des Drehkolbens 36.in 12 Teilströme unterteilt. Bei einer
Umdrehung des Drehkolbens 36 erhält man also 12 Druckimpulse am Druckmittelauslaß
39.
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Gemaß Fig. 4 wird das hydraulische Steuergerät (Impulsgenerator) 35
so angeordnet, daß der Druckmittelauslaß 39 mit dem der Kolbenstange 3 des Arbeitskolbens
gegenüberliegenden Zylinderraum fluidverbunden ist.
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Der Druckmittel einlaß 38 des Steuergerätes bzw. Impulsgenerators
35 ist über eine Leitung 62, 63 mit dem Hochdruckteil 64 einer Hydraulikpumpe 66
fluidverbunden. Das Steuergerät 35 ist umgehbar durch eine Bypass-Leitung 67, in
der ein druckgesteuertes Ventil 68 angeordnet ist.
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Der Arbeitskolben ist im Arbeitszylinder 1 zweiseitig beaufschlagbar,
wobei der der Kolbenstange 3 zugewandte Zylinderraum über eine Leitung 69 mit dem
Niederdruckteil 63 der Druckmittelpumpe 66 oder je nach Schaltung eines in dieser
Leitung angeordneten Mehrwegeventils
71 mit dem Druckmittel-Reservoir
70 fluidverbindbar ist.
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In den der Kolbenstange 3 abgewandten Zylinderraum mündet noch eine
weitere Leitung 72, die über ein hydraulisch geschaltetes Rückschlagventil 73 unmittelbar
mit dem Reservoir 70 in Verbindung steht. Die parallel dazu angeordnete Leitung
62 ist ebenfalls über ein hydraulisch geschaltetes Rückschlagventil 74 unmittelbar
mit dem Reservoir 70 fluidverbindbar, wobei das hydraulisch geschaltete Rückschlagventil
74 in der Verbindungsleitung zwischen dem Reservoir 70 und der mit dem Hochdruckteil
74 der Druckmittelpumpe 66 in Verbindung stehenden Hochdruckleitung 62, 63 angeordnet
ist.
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Zwischen der Hochdruckleitung 63 und der vorerwähnten zum Reservoir
70 führenden Verbindungsleitung 75 sind noch zwei weitere Fluidverbindungen vorgesehen,
wobei in der einen ein Sicherheitsventil 76 und in der anderen ein Schaltventil
77 angeordnet sind, das in der Hochdruck-Phase geschlossen und in der Niederdruck-Phase
geöffnet wird. Damit kann in der Niederdruck-Phase der Hochdruckteil 34 der Druckmittelpumpe
66 unverändert weiterarbeiten. Das unter Hochdruck stehende Druckmittel wird dann
über das Schaltventil 77 unmittelbar in das Reservoir zurückgepumpt. Das Sicherheitsventil
76 öffnet bei 400 bar.
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Der zwischen dem Mehrwege-Ventil 71 und dem Niederdruckteil 63 der
Druckmittelpumpe 66 liegende Abschnitt der Leitung 69 ist über eine Leitung 78 unmittelbar
mit dem Reservoir 70 fluidverbindbar, wobei in der Verbindungsleitung 78 ein druckgesteuertes
Ventil 79 ' angeordnet ist, derart, daß es während der Hochdruck-Phase geöffnet
wird. Dann kann während der Hoch-
druck-Phase, also beim Vorschub
des Arbeitskolbens bzw. der Kolbenstange 3 in Richtung des Pfeiles P, der Niederdruckteil
63 der Druckmittelpumpe 66 unverändert weiterarbeiten. Das Niederdruck-Druckmittel
wird dann über die Leitung 78 unmittelbar in das Reservoir 70 zurückgepumpt.
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In der Niederdruckleitung 69 sowie Hochdruckleitung 63 sind Meßstellen
M1 und M2 vorgesehen zur Ermittlung von Defekten in der Hydraulik. Bei Niederdruck
wird mit etwa 30 bar gearbeitet, während der Betriebsdruck vorzugsweise 350 bar
beträgt.
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Die Funktionsweise der Hydraulik ist nun wie folgt.
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Bei pulsierendem Vorschub des Arbeitskolbens bzw.
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der Kolbenstange 3 im Arbeitszylinder 1 sind die Schaltventile 68
und 77 geschlossen, während das Ventil 79 geöffnet ist. Ferner ist der Antrieb des
Drehkolbens des Steuergerätes 35 in Betrieb. Das Mehrwege-Ventil 71 ist so geschaltet,
daß die Leitung 69 über die Leitung 75 mit dem Reservoir 70 verbunden ist.
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Hochdruck-Druckmittel wird dann durch den Hochdruckteil 64 der Druckmittelpumpe
66 über die Leitung 63, 62 in den Druckmitteleinlaß 38 des Steuergerätes 35 eingeleitet.
Es gelangt pulsierend vom Druckmittelauslaß 39 des Steuergerätes 35 in den Arbeitszylinder
auf der der Kolbenstange 3 abgewandten Seite des Arbeitskolbens. Der Arbeitskolben
wird dann pulsierend in Richtung des Pfeiles P bewegt. Das sich auf der anderen
Seite des Arbeitskolbens befindliche Druckmittel wird über die Niederdruckleitung
69, das Mehrwege-Ventil 71 und Leitung 75 in das Reservoir 70 abgeführt.
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Wird der Druck in der Hochdruckleitung 63 zu hoch, öffnet das Sicherheitsventil
76 und schafft eine unmittelbare Verbindung zum Reservoir 70.
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Soll der Gleitkeil 18 bzw. die Kolbenstange 3 wieder zurückbewegt
werden in ihre Ausgangsstellung, werden die Ventile 68 und 7-7 geöffnet, das Ventil
79 geschlossen. Das Hochdruck-Druckmittel gelangt über das Schaltventil 77 unmittelbar
zurück in das Reservoir 70. Das Mehrwege-Ventil 71 wird zugleich so geschaltet,
daß die vom Niederdruckteil 63 der Druckmittelspumpe 66 kommende Leitung 69 mit
dem der Kolbenstange 3 zugewandten Teil des Arbeitszylinders 1 in Fluidverbindung
steht, so daß mit Niederdruck der Arbeitskolben zurückbewegt werden kann. Da die
Zurückbewegung sehr schnell erfolgen soll, muß das Druckmittel auf der der Kolbenstange
3 abgewandten Seite schnell aus dem Arbeitszylinder entweichen können.
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Dies erfolgt über die Bypass-Leitung 67 sowie die zusätzliche Leitung
72, wobei die Rückschlagventile 73, 74 jeweils hydraulisch geöffnet sind. Über die
beiden Leitungen 67, 72 sowie die zum Reservoir führende Leitung 75 kann das Druckmittel
auf der der Kolbenstange 3 abgewandten Seite sehr schnell aus dem Arbeitszylinder
abgeführt werden.
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Während des Rück- hubes des Gleitkeiles bzw. des Arbeitskolbens wird
der Antrieb für den Drehkolben des Steuergerätes 35 ausgeschaltet.
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Um zu vermeiden, daß der Niederdruckteil 63 der Druckmittelpumpe 66
bei Öffnung des Sicherheitsventils 76 versehentlich mit Hochdruck beaufschlagt wird
über das Mehrwege-Ventil 71 und die Leitung 69, ist in letzterer ein Rückschlagventil
81 angeordnet, das einen Rückfluß in der Niederdruckleitung 69 zum Niederdruckteil
63 der Druckmittelpumpe 66 verhindert.
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L e e rs i t e